Forschungszentrum Jülich - Jahresbericht 2012

Jahresbericht 2012 | Forschungszentrum Jülich 19 oxid-Speicher getestet und einige beson- ders geeignete Kombinationen identifi- ziert. „Außerdem haben wir bereits Speicher in Brennstoffzellen-Stacks ein- gebaut und gezeigt, dass sie grundsätz- lich funktionieren und mehrfach ge- und entladen werden können“, freut sich Pro- jektkoordinator Dr. Norbert H. Menzler vom Bereich „Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren“. Beim Aufladen der Batterie (linkes Bild) mit Strom aus zum Beispiel überschüssiger Windenergie wird das Metalloxid zu Metall reduziert und der Wasserstoff oxidiert. Die von außen angelegte elektrische Spannung „treibt“ den dabei entstehenden Wasser- dampf zur Kathode. Dort wird er zu Wasserstoff reduziert. Die Sauerstoff-Ionen wan- dern über den Elektrolyten zur Anode. Dort bildet sich molekularer Sauerstoff, den die Batterie an die Umgebungsluft abgibt. Beim Entladen (rechtes Bild) laufen die Vorgän- ge umgekehrt ab: Die Batterie nimmt Sauerstoff auf und die Sauerstoff-Ionen wan- dern zur Brenngaselektrode. Dort wird Wasserstoff zu Wasser oxidiert und der Sauer- stoffpartialdruck im geschlossenen Brenngasraum steigt. Dadurch oxidiert das Metall. Beim Entladen wird Silizium zu Silizium-Ionen oxidiert. Dabei frei werdende Elektronen flie- ßen von der Silizium-Anode durch ein Strom- kabel bis zu einem Nickel-Netz in der Katho- de. Dort wird molekularer Sauerstoff zu Sauerstoff-Ionen reduziert. Zugleich wandern Silizium-Ionen durch eine ionische Flüssig- keit und reagieren an der Kathode mit Sauer- stoff-Ionen zu Siliziumdioxid. an der Silizium-Anode sind, die derzeit die Entladung der Batterie hemmen. Da- mit ist nun ein gänzlich neuer Ansatz- punkt für Verbesserungen gefunden. Die Hochtemperatur-Batterie Jülicher Wissenschaftler des Instituts für Energie- und Klimaforschung arbeiten noch an einem weiteren innovativen Energiespeicher. Er verspricht ähnliche Vorteile wie die Silizium-Luft-Batterie: Die Materialien sind kostengünstig und ungefährlich, die Speicherdichte ist hoch, Sauerstoff wird beim Entladen der Umgebungsluft entzogen und beim La- den an diese wieder zurückgegeben. Doch dieser Energiespeicher mittle- rer und hoher Kapazität unterscheidet sich erheblich von der Silizium-Luft-Bat- terie. Grundlage des Konzeptes sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wie sie in Jülich seit langem entwickelt und gebaut werden. Diese sollen in der künftigen Hochtemperatur-Metall-Me- talloxid-Batterie nicht nur im üblichen Betriebsmodus laufen, bei dem sie che- mische Energie direkt und effektiv in Strom umwandeln. Sondern sie sollen auch umgekehrt – im sogenannten Elek- trolyse-Modus – Strom, den etwa Wind- kraftanlagen zeitweilig überschüssig produzieren, in chemische Energie um- wandeln. Diese chemische Energie kann dann gespeichert werden, indem ein Metalloxid zu einem Metall reduziert wird. Beim Entladen der Batterie re- agiert das Metall des Speichers mit Sauerstoff zurück zum Metalloxid und das System liefert im Brennstoffzellen- Modus Strom. Damit die Lade- und Ent- ladevorgänge ablaufen können, muss die Batterie bei mehr als 650 Grad Cel- sius betrieben werden. Gefördert vom Bundesforschungsmi- nisterium, läuft seit September 2012 das Forschungsprojekt MeMO (Elektrochemi- sche Metall-Metalloxid-Hochtemperatur- speicher für zentrale und dezentrale sta- tionäre Anwendungen), in dem diese Speichertechnologie entwickelt wird. In- zwischen haben die Jülicher Wissen- schaftler schon verschiedene Materialien und Bauweisen für den Metall-Metall- Silizium-Anode Kathode: Poröser Kohlenstoff und Katalysator Teflon-Schicht SauerstoffO2 O2- O2- RTIL-Elektrolyt (Raumtemperatur, Ionische Flüssigkeit) Stromfluss e- Nickel-Netz Si4+ Anode Metalloxid Metall Brenngas- raum » entladen Sauerstoff H2 e- Brennstoffzellen- Modus O2- O2- H2 O Kathode Elektrolyt » aufladen – + Elektrolyse- Modus Kathode Metalloxid Metall Brenngas- raum Sauerstoff H2 O2- O2- H2 O Anode Der Parlamentarische Staatssekretär im Bundes- forschungsministerium Thomas Rachel (3. v. li.), das Jülicher Vorstandsmit- glied Prof. Harald Bolt (2. v. li.) sowie Dr. Hans Peter Buchkremer (li.) und Dr. Norbert Menzler (re.) vom Institut für Energie- und Klimaforschung beim Start des Projektes MeMO. Silizium-Luft-Batterie Hochtemperatur-Metall-Metalloxid-Batterie Institut Video Hintergrundinformationen

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